Idea: Sälekaihdinrobotti
Yksi projektin kohdeikkunoista
Ajattelin aloittaa päähänpälkähtäneiden rakenteluideoiden jakamisen Ruuvipenkissä, sillä olen huomannut, että suurin osa omasta mielestäni "mahtavista ideoista" ei kuitenkaan koskaan valmistu ajanpuutteen takia. Koska ideoilla ei ole mitään tarkoitusta hyötyä rahallisesti, miksipä niitä ei jakaisi muille? Tämän idean tulen kuitenkin hyvin todennäköisesti toteuttamaan myös itse, sillä siitä olisi konkreettista etua jokapäiväisessä elämässä.
Viime aikoina olen pyöritellyt ajukopassani motorisoituja kauko-ohjattavia sälekaihtimien ohjaus- ja ajoyksikköjä. Vieläpä sellaisia, jotka toimivat missä vain asunnossa: käyttöpaikkoja ikkunoiden lukumäärästä puhumattakaan olisi siis jo pelkästään Suomessa satoja tuhansia, ellei miljoonia.
Idea tuli mieleen, kun mietin korjausta käytännön ongelmaan. Uudessa asunnossamme on nimittäin joka ikkunassa kiinteästi asennetut kaihtimet, joita saa käännellä ikkunoiden karmeihin kiinnitetyistä vaijereista yksitellen auki tai kiinni aamuin illoin.
Mekaniikka
Valmiita ratkaisujakin löytyy, mutta ne ovat kalliita (jopa satasia per ikkuna) ja yleensä ne täytyy hankkia kaihtimien asennuksen yhteydessä, sillä ne asennetaan kiinteästi ikkunan sisälle kaihtimien yläpäähän. Minun ideani olisi puolestaan ympätä kaikki yhden kaihtimen portaattomaan säätämiseen tarvittava mekaniikka ja äly näppärän ikkunan karmin värisen n. 4*10*2 cm -kokoisen palikan sisälle. Palikka liimattaisiin tai ruuvattaisiin kiinni karmiin, ja se osaisi pyörittää kaihtimen käsisäätövaijeria moottorin avulla. Laite olisi tietysti täysin langaton ja sen paristot kestäisivät vuosia.
Jokin aika idean keksimisen jälkeen kuulin, että joku halpakauppa (Clas Ohlson tms.) olisi joskus kaupannut tai ainakin aikonut kaupitella hieman vastaavia rakennelmia. En kuitenkaan ole onnistunut löytämään niistä mitään lisätietoa, vaikka Google onkin ollut hyvänä kaverina. Ehkäpä joku teistä lukijoista tietää asiasta? Mikäli tällaisia on joskus tehty, valmiista tuotteesta voisi saada hyviä vinkkejä mekaniikan tekemiseen. Lähinnä moottorilaatikon pyörivän osan kiinnitys sormin pyöritettäväksi tarkoitetun vaijerin päähän mietityttää. Mikä lienee paras keino? Mielellään nuppia ei otettaisi irti, eikä kiinnitys saisi sitä rikkoa. Universaalisuus olisi hyvä viedä mahdollisimman korkealle tasolle ("sopii kiinni nuppiin kuin nuppiin").
Radiotekniikka ja äly
Koska Bluetooth on yliammuntaa ja ehkä hieman huono + kalliskin tekniikka ympäri taloa sijoitettujen moottorien kauko-ohjaukseen, ajattelin hoitaa yhteydet esimerkiksi Nordic Semiconductorin nRF905-piirien avustuksella. Tai joillain edullisemmilla vastaavilla piireillä. Moottoriyksiköiden ja ohjauspaneelin välinen liikenne olisi hyvä olla kaksisuuntaista, sillä tällöin ohjainyksikkö tietäisi mikäli johonkin moottoriyksikköön ei saatukaan yhteyttä tai se ei toimikaan kuten pitäisi. Ohjausyksikkö voisi olla myös kauko-ohjattava esimerkiksi kännykkäohjelmiston kautta (Bluetooth) ja se osaisi ilmoittaa minkä moottoriyksikön paristot vetelevät viimeisiään.
nRF905-kehitysalusta
Nordic Semiconductorin valikoimista löytyy myös nRF9E5, joka on SoC-piiri (System on Chip). Tämä tarkoittaa sitä, että kotelon sisältä löytyy käyttäjän ohjelmoitavissa oleva 8051-yhteensopiva 8-bittinen mikrokontrolleri. Erillistä radiopiiriä ohjaavaa mikrokontrolleria ei siis tarvita. Tämä saattaisi olla hyvä vaihtoehto moottoriyksiköiden älyksi. Vaihtoehtoisesti käyttäisin luultavasti mikrokontrollereina STMicroelectronicsin STM32F100-sarjan ARM Cortex-M3 -laitteita.
Koska ajokertoja per ikkuna tulisi päivässä ehkä vain muutamia, paristot saattaisi olla mahdollista saada kestämään jopa vuosia. Tähän toki vaikuttavat täysin radiopiirin virransäästötilat ja virrankulutus connectable-moodissa. Langattomuus on must, joten joka ikkunaa en halua sähköistää verkkovirtamuuntajilla. Johdot ovat rasittavia asentaa ja sitäpaitsi rumia. Paristoiksi ajattelin esimerkiksi edullisia kiinalaisia Li-ion-paristoja (ei ladattavia). Mikäli käyttäisi akkuja, voisi ikkunaan liimata aurinkokennon, joka keräisi pikkuhiljaa energiaa päivän muutamaa mottorinpyöräytystä varten. Tällöin akkuja tuskin tarvitsisi vaihtaa koskaan (ennen kuin ne vanhenevat ikänsä puolesta). Tämä menisi kuitenkin vähän hifistelyksi, eikä ikkunaan teipattu johtojen päässä oleva aurinkokenno olisi edes kovin nätin näköinen. Lienee sanomattakin selvää, että koko järjestelmä on suunniteltava alusta alkaen siistin ja huomaamattoman näköiseksi, sillä muutoin ikkunanpielissä roikkuvien laatikoiden eliniän odotusarvo voisi jäädä suhteettoman pieneksi. Syynä tähän tietysti kauniimman osapuolen näkemyserot räpellysten tarpeellisuudesta ja esteettisyydestä ;-)
Ohjausyksiköstä koko kodin älykeskus?
Mikäli ohjausyksikköön suunnittelee ja jättää laajennusvaraa, voisi sitä käyttää kodin älykeskuksena. Ohjauksen voisi tehdä kauko-ohjatusti matkapuhelimesta joko Bluetoothilla tai kännykkäverkon kautta.
Ohjausyksikkö voisi osata ohjata langattomasti sälekaihdinmoottoriyksikköjen lisäksi esimerkiksi valaistusta, lämmitystä, murtohälytystä, jne, jne. Mahdollisuudet ovat taas rajattomat. Vain osaaminen ja ajankäytön mahdollisuus asettavat rajat.
Ohjausyksikön voisi naamioida seinään joko tavallisen valokatkaisijan näköiseksi tai vaihtoehtoisesti nappuloita ja näyttöjä täynnä olevaksi futuristiseksi älykeskukseksi.
Kehitysideoita, kiitos!
Koska en ole miettinyt laitteistoa vielä aivan loppuun saakka, enkä aloittanut suunnittelua lainkaan, olen erittäin avoin kehitysideoille.
- Mikä olisi edullinen, mutta erittäin luotettavasti toimiva radiojärjestelmä nRF:n tilalle? ISM-taajuus, vähävirtaisuus, kaksisuuntaisuus ja virheenkorjaukset oleellisia.
- Millainen moottori soveltuisi parhaiten kaihtimien portaattomaan säätämiseen? Valmiit harrastusservot? Niiden 180 asteen kääntöympyrä rajoittaa, mutta jos modaa ympäripyöriviksi, ei enää tiedetä sijaintia... Askelmoottori vaihteistolla? DC-moottori vaihteistolla? Taas tarvittaisiin rajakytkimiä, ettei rikota verhojen naruja...
- Mistä valmistaa ikkunan karmiin kiinnitettävä kotelo? Valmiin kotelon käyttö?
- Moottoriyksiköiden kalibrointi yksilöllisesti erilaisille kaihtimille?
- Kaihtimien ohjaaminen käsipelillä, vaikka moottoriyksikkö olisikin kiinni vaijerin päässä? Vai ohituskytkimet moottoriyksikön laatikon nurkkaan, joilla voi säätää manuaalisesti yhtä ikkunaa?
- Yhden ikkunan moottoriyksikön kokonaiskustannukset olisi hyvä saada pysymään alle 10 eurossa, mutta tämä vaatisi edullisemman radiopiirin ja halvan moottorin käyttöä. Ideoita?
- Kiinnostaisiko tällaisen järjestelmän käyttöönotto, mikäli kehittäisin ja dokumentoisin sellaisen? Vai löytyisikö kiinnostuneita kehittämään tätä yhdessä?
17 kommenttia
Nopeasti testasin sälekaihtimia, ainakin nuo pyörähtää ääriasennosta toiseen 360 käännöllä. Löytyykö sellaista servoa tai toimisko vaihteisto?
Markus: Yhtä kierrosta itsekin mittailin. Toisaalta kaihtimia voi olla jos jonkinlaisia, joten mikäli laitteistosta haluttaisiin tehdä (ja halutaanhan se) mahdollisimman yhteensopiva, ei voi oikein turvautua 360 asteen servoonkaan.
Vaihteistollisissa DC-moottoreissa on asentotiedon saanti ongelmana. Halpa askelmoottori vaihteistolla (saadaan vääntöä tarpeeksi) voisi olla se paras ratkaisu tähän. Mistä halpoja vaihteistollisia pieniä steppereitä sitten saa, se on asia erikseen. Partcolta löytyy kolmen euron askelmoottoreita, muuta ne vaatisivat vaihteiston perään. Ovat tällaisia:
http://ryanschenk.com/2010/03/driving-a-040-stepper-with-arduino/
Laitoin pystyyn viestiketjun foorumille. Siellä voi jatkaa keskustelua aiheesta tämän uutisen kommentoimisen ohella. Yritetään kerätä ketjuun myös kuvia ja mittoja ihmisten ikkunoista löytyvistä kaihtimien säätöruuveista. Tämä mahdollistaa sellaisen mekaniikan suunnittelun, joka sopisi myös muiden ikkunoihin :-)
http://www.ruuvipenkki.fi/foorumi/viewtopic.php?f=3&t=294
Paristojen kestoa tuossa mietin, kun mainitsit, että voisi toimia jopa vuosia. Ohjauslogiikka kyllä varmaan jaksaisi toimia vuosia, mutta riittääkö virta moottoreille yli viikoksi?
Tuntuisi vain, että nuo sälekaihtimet on kuitenkin jonkuverran raskaita kääntää. Noh mene ja sano.
Mielenkiinnolla seurailen miten projekti etenee!
Jaakko: Mikäli moottori ottaa ajon aikana 0,2 ampeeria ja asennonvaihto kestää yhden sekunnin, kestää 5 000 milliampeeritunnin Li-ion-paristo 90 000 ajokertaa. Jos asennonmuutoksia tehdään keskimäärin vain muutamia per päivä per ikkuna, voi siitä päätellä, että kesto-ongelmia ei tule ainakaan moottorinpyörityksen takia :-)
Elektroniikan lepovirrankulutus on sitten asia erikseen. Keskimääräisessä virrankulutuksessa täytyy päästä mikroampeeritasolle. Viisikin milliampeerituntia jatkuvaa virrankulutusta tarkoittaa, ettei tuollainen isokaan paristo kestä kuin tuhat tuntia (vain hieman yli kuukausi).
Vapaasti pyörivä servo ois tietty yks vaihtoehto... siihen vain pitäisi tuo asennon tunnistus tehdä.
P-E-X: Voisiko servoon vaihtaa monikierroksisen potentiometrin? Toisaalta jos moottori ei rajoittaisi pyörimissuunnan tai -matkan suhteen, olisi boksilla enemmän käyttömahdollisuuksia. Liekö olemassa kiinteitä sälekaihtimia, jotka vaativat useampien kierrosten sormiliikkeitä toimiakseen? Pinta-asennettavia ainakin löytyy, mutta niissä kiertotanko on kiinni ylärimassa ja kaikinpuolin muutenkin vaikeampi motorisoida. Tällaisista puhun: http://www.jysk.fi/140/147/148/ag/catalog/
Lauri: Aah joo niimpä näyttäisi nuo servot toimivan suhkot pienillä virroilla mitä nyt tutkin.
Esimerkiksi tuo Hitec HS-55 6V @ 180mA.
Jos servo pyörisi vapaasti voisiko ääriasennon löytämiseen soveltaa jotain virtamittausta? Säätäisi vain ennen käyttöönottoa hieman toimintavirran yläpuolelle. Ei tarvitsisi sen kummempaa säätämistä olipa pyörityskulma mitä vain.
Jaakko: Olen käyttänyt DC-moottorin virranmittausta eräässä toisessa sovelluksessa varsin onnistuneesti (0,1 ohmin shunttivastus + 12-bittinen ADC), mutta en usko, että se olisi välttämättä riittävä säätö tähän laitteeseen. Esimerkiksi pienet säädöt eivät välttämättä olisi eri ikkunoiden välillä synkassa. Joutuisi myös tehdä erilaisia kalibrointitoimenpiteitä käytön aikanakin, mikäli ei haluta aina ajaa ääriasennosta toiseen. Vaikeuttaa myös aika lailla, että verhojen "aukiasento" on suunnilleen ääripäiden puolivälissä.
Mutta ihan hyvä idea kuitenkin. Kehittelemällä voisi toimiakin :-) Olisi ainakin halpa ja yksinkertainen toteutettava. Rajakytkimiä ei tarvittaisi jne...
Tulevaisuuden kannalta jokin kotiautomaatiossa yleisesti käytetty radiotekniikka, kuten Zigbee olisi toivottava ominaisuus.
Partcon 3 euron stepperi on ihan tolkuttoman pieni - paljon pienempi, kuin mitä kuvasta voisi päätellä. En usko, että se jaksaa kääntää säleitä.
Tarvitaan mikrokytkin tms, joka kytkee ohjauksen pois päältä silloin, kun säleet on vedettynä ylös. Tällöin kääntäminen ei pääsääntöisesti onnistu.
Ulkopuolen valoisuustunnistus kelloon yhdistettynä olisi pop, jotta kääntäjä osaa toimia itsenäisesti ilman langatonta kauko-ohjausta.
Dippi, jolla valitaan oikea- tai vasenkätinen toiminta.
AnttiP: ZB voisi olla hyvä tekniikka tällaisen verkon rakentamiseen. Täytyy hieman katsella piirien kustannuksia ja virrankulutuksia. Piirilevyantennimahdollisuus aina plussaa, niin ei tarvitse pelata erillisen antennin kanssa.
Partcon stepperi varmasti jaksaisi pyöritellä, jos perään heittäisi jonkin 1:100-vaihteiston. Vaan mikä lienee stepperin maksiminopeus, jolloin ei vielä hukata pykäliä? Ja mistä saisi halpoja vaihteistoja? Tämä ongelma olisi servoissa jo ratkaistu ja niitä saa Kiinasta parilla eurolla...
Mikrokytkimen virittely menee jo aika hankalaksi. Ehkäpä laitteen ohjekirjaan kirjoitetaan, että älä koskaan vedä kaihtimia aivan ylös asti! ;) Riittäisi varmaan, että sälenippu olisi parin senttimetrin päässä yläreunasta? Silloin kääntönarut pääsevät liikkumaan vielä ok. Voisivatko lukijat testata tätä, että vaikeutuuko pyörittäminen kuinka paljon, jos kaihtimet on vedetty aivan ylös asti?
Valoisuustunnistin voisi olla erillinen boksi, joka toimisi niin ikään paristolla. Se liimattaisiin ikkunaan johonkin verhon taakse piiloon. Järjestelmän lisäosa siis.
Dippikytkinidea on jees ja helppo toteuttaa.
Omissa sälekahitimissa tuo pyörittäminen helpottuu mitä ylemmäksi kaihtimet on vedetty. Tämä on selvää koska käännttevien säleiden määrä vähenee.
Ville: Entäs, jos nipun vetää täysin ylös?
Ylösvetäminen vaikuttaa vaan kevenevästi tuohon kääntämiseen, eli vaikka vetää täysin ylös niin kääntyy kevyemmin kun täysin alhaalla. Tuo ylösvetäminenhän tässä vie sen suurimman energian tarpeen? Ainakin tuntuu kohtuu raskaalta vetää tuo 1,5m leveä ja 1,15m korkea kahdin tasaisesti täysin ylös. Tämä isoin siis neljällä langalla vedettävä malli(tietysti niputettu).
Ville: En ollut ajatellutkaan, että laitteisto osaisi vetää kaihtimet ylös. Osaisi ainoastaan käännellä. Menisi myös aika hankalaksi toteuttaa, mikäli haluttaisiin tehdä ylösvetokin. Eikä paristokaan sitä kestäisi kovin kauaa...
Lauri, voi varmaankin kun sopivan löytää, tietty yks ois käyttää esim rotary encoderia. Kylläkään silloinkaan ei tiä koska oikea stoppi tulee. Monikierrospotikka vois olla hyvä.
Minulla sama projekti ja kokemusta Clahs Ohlsonin säätimistä. Kommentoin tuonne keskustelufoorumin säikeeseen lisää.